JP4648938B2 - 旋回駆動制御装置及びこれを用いた建設機械 - Google Patents

Description

本発明は、建設機械の旋回機構の駆動制御を行う旋回駆動制御装置及びこれを用いた建設機械に関する。

従来より、建設機械の上部旋回体を旋回させるための旋回機構の動力源として電動機を備え、この電動機の力行運転で旋回機構を加速（駆動）するとともに、旋回機構を減速（制動）する際に回生運転を行い、発電される電力をバッテリに充電する建設機械が提案されている。

このような建設機械は、上部旋回体を機械的に停止させるためのメカニカルブレーキを備えるが、ブーム、アーム、又はバケットの作業時に生じる反力によるメカニカルブレーキの損傷を防止するために、旋回停止時であってもブーム、アーム、又はバケットの作業時にはメカニカルブレーキを解除し、電動発電機の回転軸の回転速度を零にするように制御を行う建設機械があった（例えば、特許文献１）。
特開２００５−２９９１０２号公報

ところで、旋回停止時に反力を受けても電動発電機の回転軸の回転速度を零に制御するためには、反力によって生じる回転トルクに抗して駆動トルクを発生させる必要があり、反力が生じている間は常に駆動トルクを発生させるための電力を電動発電機に供給する必要がある。

このため、建設機械の作業中は、旋回停止時でも反力が生じている間は常に電力が消費されるという課題があった。

そこで、本発明は、旋回停止時の作業中における消費電力を低減した旋回駆動制御装置及びこれを用いた建設機械を提供することを目的とする。

本発明の一局面の旋回駆動制御装置は、下部走行体、前記下部走行体に旋回自在に搭載される上部旋回体、前記上部旋回体に取り付けられる作業要素、及び前記上部旋回体の旋回を機械的に停止させるメカニカルブレーキを含み、前記上部旋回体の駆動機構を電動発電機で駆動する建設機械において、前記旋回機構を駆動制御する旋回駆動制御装置であって、前記下部走行体、前記上部旋回体、又は前記作業要素の駆動操作を検出する駆動操作検出手段と、前記メカニカルブレーキの制動／解除を制御するブレーキ制御手段と、前記駆動操作検出手段によって前記作業要素又は前記下部走行体の駆動操作が検出され、かつ、前記ブレーキ制御手段によって前記メカニカルブレーキが解除されると、前記電動発電機を短絡状態に切り替える運転制御手段とを備える。

また、前記上部旋回体の旋回動作を検出する旋回動作検出手段をさらに備え、前記運転制御手段は、前記電動発電機が短絡状態であるときに、前記旋回動作検出手段によって前記旋回機構の旋回動作が検出されると、前記電動発電機を駆動状態に切り替え、前記電動発電機の回転速度を零にするための零速度指令で駆動制御してもよい。

また、この場合に、前記旋回動作検出手段は、前記電動発電機の回転速度を検出するように構成されており、前記運転制御手段は、前記旋回動作検出手段によって検出される回転速度が所定値以上になると、前記電動発電機の回転速度を零にするための零速度指令で前記電動発電機を駆動制御してもよい。

また、これらに代えて、前記電動発電機の回転位置を検出する回転位置検出手段をさらに備え、前記運転制御手段は、前記電動発電機が短絡状態であるときに、前記位置検出手段によって検出される回転位置の変化を検出すると、前記電動発電機を駆動状態に切り替え、前記電動発電機の回転位置を回転位置の変化の検出時の位置に復帰させるための位置指令で駆動制御してもよい。

また、この場合に、前記運転制御手段は、前記回転位置検出手段によって検出される回転位置の変化量が所定値以上になると、前記電動発電機の回転位置の変化の検出時の位置に復帰させるための位置指令で前記電動発電機を駆動制御してもよい。

また、前記運転制御手段は、前記駆動操作検出手段によって前記上部旋回体の旋回操作が検出されると、旋回速度を制御するための速度指令を用いて前記電動発電機を駆動制御してもよい。

また、前記電動発電機は三相駆動されるように構成されており、前記運転制御手段は、三相配線を短絡させることにより前記電動発電機を短絡状態に切り替えてもよい。

本発明の一局面による建設機械は、前記いずれかに記載の旋回駆動制御装置を含む。

また、前記メカニカルブレーキは、油圧制御によって制動／解除の切り替えが行われる油圧式ブレーキ、又は、電磁スイッチによって制動／解除の切り替えが行われる電磁式機械ブレーキであってもよい。

本発明によれば、旋回停止時の作業中における消費電力を低減した旋回駆動制御装置及びこれを用いた建設機械を提供できるという特有の効果が得られる。

以下、本発明の建設機械を適用した実施の形態について説明する。

図１は、実施の形態１の旋回駆動制御装置を用いた建設機械を示す側面図である。

この建設機械の下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。また、上部旋回体３には、ブーム４、アーム５、及びバケット６と、これらを油圧駆動するためのブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９に加えて、キャビン１０及び動力源が搭載される。

「全体構成」
図２は、実施の形態１の旋回駆動制御装置を用いた建設機械の構成を表すブロック図である。この図２では、機械的動力系を二重線、高圧油圧ラインを実線、パイロットラインを破線、電気駆動・制御系を一点鎖線でそれぞれ示す。

エンジン１１と電動発電機１２は、ともに減速機１３の入力軸に接続されている。また、この減速機１３の出力軸には、メインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されている。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。

コントロールバルブ１７は、本実施の形態の建設機械における油圧系の制御を行う制御装置であり、このコントロールバルブ１７には、下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９が高圧油圧ラインを介して接続される。

また、電動発電機１２には、インバータ１８を介してバッテリ１９が接続されており、また、バッテリ１９には、インバータ２０とリレー２１Ａ及び２１Ｂとを介して旋回用電動発電機２１が接続されている。

旋回用電動発電機２１の回転軸２１ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回減速機２４が接続される。また、パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６が接続される。

操作装置２６には、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９がそれぞれ接続される。この圧力センサ２９には、本実施の形態の建設機械の電気系の駆動制御を行うコントローラ３０が接続されている。

このような本実施の形態の建設機械は、エンジン１１、電動発電機１２、及び旋回用電動発電機２１を動力源とするハイブリッド型の建設機械である。これらの動力源は、図１に示す上部旋回体３に搭載される。以下、各部について説明する。

「各部の構成」
エンジン１１は、例えば、ディーゼルエンジンで構成される内燃機関であり、その出力軸は減速機１３の一方の入力軸に接続される。このエンジン１１は、建設機械の運転中は常時運転される。

電動発電機１２は、力行運転及び回生運転の双方が可能な電動機であればよい。ここでは、電動発電機１２として、インバータ２０によって交流駆動される電動発電機を示す。この電動発電機１２は、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたＩＰＭ(Interior Permanent Magnetic)モータで構成することができる。電動発電機１２の回転軸は減速機１３の他方の入力軸に接続される。

減速機１３は、２つの入力軸と１つの出力軸を有する。２つの入力軸の各々には、エンジン１１の駆動軸と電動発電機１２の駆動軸が接続される。また、出力軸にはメインポンプ１４の駆動軸が接続される。エンジン１１の負荷が大きい場合には、電動発電機１２が力行運転を行い、電動発電機１２の駆動力が減速機１３の出力軸を経てメインポンプ１４に伝達される。これによりエンジン１１の駆動がアシストされる。一方、エンジン１１の負荷が小さい場合は、エンジン１１の駆動力が減速機１３を経て電動発電機１２に伝達されることにより、電動発電機１２が回生運転による発電を行う。電動発電機１２の力行運転と回生運転の切り替えは、コントローラ３０により、エンジン１１の負荷等に応じて行われる。

メインポンプ１４は、コントロールバルブ１７に供給するための油圧を発生するポンプである。この油圧は、コントロールバルブ１７を介して油圧モータ１Ａ、１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９の各々を駆動するために供給される。

パイロットポンプ１５は、油圧操作系に必要なパイロット圧を発生するポンプである。この油圧操作系の構成については後述する。

コントロールバルブ１７は、高圧油圧ラインを介して接続される下部走行体１用の油圧モータ１Ａ、１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９の各々に供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御することにより、これらを油圧駆動制御する油圧制御装置である。

インバータ１８は、電動発電機１２の力行運転に必要な電力をバッテリ１９から電動発電機１２に供給するとともに、電動発電機１２の回生運転によって発電された電力をバッテリ１９に充電するために電動発電機１２とバッテリ１９との間に設けられたインバータである。

バッテリ１９は、電動発電機１２及び旋回用電動発電機２１の力行運転に必要な電力を供給すると共に、電動発電機１２の回生運転及び旋回用電動発電機２１の減速時における回生運転によって発電された電力を蓄積するための電源である。

インバータ２０は、旋回用電動発電機２１の旋回加速のための力行運転に必要な電力をバッテリ１９から旋回用電動発電機２１に供給するとともに、旋回用電動発電機２１の減速に行う回生運転によって発電された電力をバッテリ１９に充電するために旋回用電動発電機２１とバッテリ１９との間に設けられたインバータである。

ここで、旋回用電動発電機２１の減速時における回生運転を第１回生運転と称し、後述する短絡状態における回生運転である第２回生運転と区別する。なお、旋回用電動発電機２１の運転状態を表す場合に、第１回生運転と第２回生運転を特に区別しない場合は、単に「回生運転」と記す。

旋回用電動発電機２１は、力行運転及び回生運転の双方が可能な電動機であればよく、上部旋回体３の旋回機構２を駆動するために設けられている。旋回用電動発電機２１は、力行運転により上部旋回体３を加速させ、上部旋回体３の減速時に第１回生運転を行うように駆動制御される。ここでは、旋回用電動発電機２１として、インバータ２０によって交流駆動される電動発電機を示す。この旋回用電動発電機２１は、例えば、磁石埋込型のＩＰＭモータで構成することができる。

なお、バッテリ１９の充放電制御は、バッテリ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（力行運転又は回生運転）、旋回用電動発電機２１の運転状態（力行運転又は第１回生運転）に基づき、コントローラ３０によって行われる。

リレー２１Ａ及び２１Ｂは、図３に示すように、インバータ２０と旋回用電動発電機２１との間の三相配線（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に配設される。リレー２１Ａは、Ｕ相とＶ相の間に配設されており、リレー２１Ｂは、Ｖ相とＷ相の間に配設されている。リレー２１Ａ及び２１Ｂが閉成されると、旋回用電動発電機２１の三相配線が短絡状態となり、旋回用電動発電機２１の運転状態は第２回生運転に切り替わる。

第２回生運転の状態で発電される電力は、旋回用電動発電機２１の内部抵抗器で消費される。この第２回生運転の状態では、旋回用電動発電機２１の内部抵抗器の抵抗値と回転軸２１ａの回転速度とによって定まる制動トルクが生じる。なお、このリレー２１Ａ及び２１Ｂは、後述する旋回駆動制御装置４０の主制御部６０によって開閉制御が行われ、旋回用電動発電機２１を速度指令により駆動制御するときには開放される。

レゾルバ２２は、旋回用電動発電機２１の回転軸２１ａの回転位置及び回転角度を検出するセンサであり、回転前の回転軸２１ａの回転位置と、左回転又は右回転した後の回転位置との差を検出することにより、回転軸２１ａの回転角度及び回転方向を検出するように構成されている。旋回用電動発電機２１の回転軸２１ａの回転角度を検出することにより、旋回機構２の回転角度及び回転方向が導出される。

メカニカルブレーキ２３は、機械的な制動力を発生させる制動装置であり、旋回用電動発電機２１の回転軸２１ａを機械的に制止させる。このメカニカルブレーキ２３は、電磁式に制動（オン）／解除（オフ）が切り替えられるように構成されており、この切り替えは、後述する旋回駆動制御装置４０の主制御部６０によって行われる。メカニカルブレーキ２３が解除されるのは、旋回停止時において下部走行体１、ブーム４、アーム５、又はバケット６のうちのいずれかが操作された場合と、旋回用電動発電機２１が操作される場合である。

旋回減速機２４は、旋回用電動発電機２１の回転軸２１ａの回転速度を減速して旋回機構２に機械的に伝達する減速機である。

旋回機構２は、旋回用電動発電機２１のメカニカルブレーキ２３が解除された状態で旋回可能となり、これにより、上部旋回体３が左方向又は右方向に旋回される。

操作装置２６は、旋回用電動発電機２１、下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６を操作するための操作装置であり、レバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａは、旋回用電動発電機２１及びアーム５を操作するためのレバーであり、上部旋回体３の運転席近傍に設けられる。レバー２６Ｂは、ブーム４及びバケット６を操作するためのレバーであり、運転席近傍に設けられる。また、ペダル２６Ｃは、下部走行体１を操作するための一対のペダルであり、運転席の足下に設けられる。

この操作装置２６は、パイロットライン２５を通じて供給される油圧（１次側の油圧）を運転者の操作量に応じた油圧（２次側の油圧）に変換して出力する。操作装置２６から出力される２次側の油圧は、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７に供給されるとともに、圧力センサ２９によって検出される。

レバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃの各々が操作されると、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７が駆動され、これにより、油圧モータ１Ａ、１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９内の油圧が制御されることによって、下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６が駆動される。

なお、油圧ライン２７は、油圧モータ１Ａ及び１Ｂを操作するために１本ずつ（すなわち合計２本）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダをそれぞれ操作するために２本ずつ（すなわち合計６本）設けられるため、実際には全部で８本あるが、説明の便宜上、１本にまとめて表す。

圧力センサ２９では、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃの各々の操作による油圧ライン２８内の油圧の変化が別個独立的に圧力センサ２９で検出される。圧力センサ２９は、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃの各々の操作により、旋回用電動発電機２１、ブーム４、アーム５、バケット６、及び下部走行体１の各々を操作するための油圧の変化を検出し、各々の操作による油圧ライン２８内の油圧を表す電気信号を出力する。これらの電気信号は、コントローラ３０に入力される。

「コントローラ３０」
コントローラ３０は、本実施の形態の建設機械の駆動制御を行う制御装置であり、速度指令変換部３１、駆動制御装置３２、及び旋回駆動制御装置４０を含む。

圧力センサ２９から出力される電気信号のうち、旋回用電動発電機２１の操作による油圧ライン２８内の油圧の変化を表す電気信号は、速度指令変換部３１に入力される。また、ブーム４、アーム５、バケット６、及び下部走行体１の各々の操作による油圧ライン２８内の油圧の変化を表す電気信号は、旋回駆動制御装置４０に入力される。

速度指令変換部３１は、圧力センサ２９から入力される信号を速度指令に変換する演算処理部である。これにより、レバー２６Ａの操作量は、旋回用電動発電機２１を回転駆動させるための速度指令(rad/s)に変換される。この速度指令は、駆動制御装置３２及び旋回駆動制御装置４０に入力される。

駆動制御装置３２は、電動発電機１２の運転制御（力行運転又は回生運転の切り替え）、及び、バッテリ１９の充放電制御を行うための制御装置であり、ＣＰＵ(Central Processing Unit)及び内部メモリを含む演算処理装置で構成される。この駆動制御装置３２は、エンジン１１の負荷の状態とバッテリ１９の充電状態に応じて、電動発電機１２の力行運転と回生運転を切り替える。駆動制御装置３２は、電動発電機１２の力行運転と回生運転を切り替えることにより、インバータ１８を介してバッテリ１９の充放電制御を行う。

「旋回駆動制御装置４０」
図４は、実施の形態１の建設機械の旋回駆動制御装置４０の構成を示す制御ブロック図である。旋回駆動制御装置４０は、旋回用電動発電機２１を駆動するための駆動指令を生成する駆動指令生成部５０、及び主制御部６０を含む。

この旋回駆動制御装置４０は、インバータ２０を介して旋回用電動発電機２１の駆動制御を行うための制御装置であり、ＣＰＵ(Central Processing Unit)及び内部メモリを備える。旋回駆動制御装置４０のＣＰＵは、内部メモリに格納される駆動制御用のプログラムを実行することにより、レバー２６Ａの操作量に応じて旋回用電動発電機２１を駆動制御するための駆動指令を演算する。

また、旋回駆動制御装置４０は、レバー２６Ａの操作量に応じて、旋回用電動発電機２１を駆動制御する際に、力行運転と回生運転（第１回生運転又は第２回生運転）の切り替え制御を行うと共に、インバータ２０を介してバッテリ１９の充放電制御を行う。

駆動指令生成部５０には、速度指令変換部３１から出力される速度指令が入力され、この駆動指令生成部５０は速度指令に基づき駆動指令を生成する。駆動指令生成部５０から出力される駆動指令はインバータ２０に入力され、このインバータ２０によって旋回用電動発電機２１がＰＷＭ(Pulse Width Modulation)駆動される。

主制御部６０は、ＣＰＵ及び内部メモリを含み、旋回駆動制御装置４０の制御処理に必要な周辺処理を行う制御部である。また、ブーム４、アーム５、バケット６、及び下部走行体１の各々の操作による油圧ライン２８内の油圧の変化を表す電気信号は、圧力センサ２９から主制御部６０に入力される。また、このメカニカルブレーキ２３の制動（オン）／解除（オフ）の切り替えは、主制御部６０によって行われる。その他の主制御部６０の具体的な処理内容については、関連箇所においてその都度説明する。

「駆動指令生成部５０」
駆動指令生成部５０は、減算器５１、ＰＩ(Proportional Integral)制御部５２、トルク制限部５３、減算器５４、ＰＩ制御部５５、電流変換部５６、及び旋回動作検出部５７を含む。この駆動指令生成部５０の減算器５１には、レバー２６Ａの操作量に応じた旋回駆動用の速度指令(rad/s)が入力される。

減算器５１は、レバー２６Ａの操作量に応じた速度指令の値（以下、速度指令値）から、旋回動作検出部５７によって検出される旋回用電動発電機２１の回転速度(rad/s)を減算して偏差を出力する。この偏差は、後述するＰＩ制御部５２において、旋回用電動発電機２１の回転速度を速度指令値（目標値）に近づけるためのＰＩ制御に用いられる。

ＰＩ制御部５２は、減算器５１から入力される偏差に基づき、旋回用電動発電機２１の回転速度を速度指令値（目標値）に近づけるように（すなわち、この偏差を小さくするように）ＰＩ制御を行い、そのために必要なトルク電流指令を演算する。演算されたトルク電流指令は、トルク制限部５３に入力される。

トルク制限部５３は、ＰＩ制御部５２から入力されるトルク電流指令値によって生じるトルクが旋回用電動発電機２１の許容最大トルク値以下となるように、ＰＩ制御部５２から入力されるトルク電流指令値を制限する。このトルク電流指令値の制限は、上部旋回体３の左方向及び右方向の双方向の回転に対して行われる。

ここで、トルク制限部５３においてトルク電流指令値を制限するための上限値（左旋回用の最大値）及び下限値（右旋回用の最小値）は、このトルク制限部５３によってトルク電流指令値の制限が行われても、傾斜地で、ブーム４、アーム５、及びブーム６が伸張されて上部旋回体３の慣性モーメントが大きい状態においても、ブーム４、アーム５、及びブーム６を斜面の上方に旋回させるための駆動トルクを発生できるような値に設定されている。なお、トルク電流指令値を制限するための特性を表すデータは、主制御部６０の内部メモリに格納されており、トルク制限部５３によって読み出される。

減算器５４は、トルク制限部５３から入力されるトルク電流指令値から、電流変換部５６の出力値を減算して得る偏差を出力する。この偏差は、後述するＰＩ制御部５５及び電流変換部５６を含むフィードバックループにおいて、電流変換部５６から出力される旋回用電動発電機２１の駆動トルクを、トルク制限部５３を介して入力されるトルク電流指令値（目標値）によって表されるトルクに近づけるためのＰＩ制御に用いられる。

ＰＩ制御部５５は、減算器５４から入力される偏差に基づき、この偏差を小さくするようにＰＩ制御を行い、インバータ２０に送る最終的な駆動指令となる電圧指令を生成する。インバータ２０は、ＰＩ制御部５５から入力される電圧指令に基づき、旋回用電動発電機２１をＰＷＭ駆動する。

電流変換部５６は、旋回用電動発電機２１のモータ電流を検出し、これをトルク電流指令に相当する値に変換し、減算器５４に入力する。

旋回動作検出部５７は、レゾルバ２２によって検出される旋回用電動発電機２１の回転位置の変化（すなわち上部旋回体３の旋回）を検出するとともに、回転位置の時間的に変化から旋回用電動発電機２１の回転速度を微分演算によって導出する。導出された回転速度を表すデータは、減算器５１及び主制御部６０に入力される。

次に、本実施の形態の建設機械の旋回駆動制御装置における旋回用電動発電機２１の駆動制御について説明する。

図５は、実施の形態１の建設機械の旋回駆動制御装置４０による旋回用電動発電機２１の駆動制御（第２回生運転と零速度指令による運転）を実行するための処理手順を示す図である。なお、旋回用電動発電機２１を駆動していない場合、及び、ブーム４、アーム５、及びバケット６を駆動していない状態では、メカニカルブレーキ２３は制動（オン）状態となっている。

まず、旋回駆動制御装置４０は、旋回操作があるか否かを判定する（ステップＳ１）。これは、レバー２６Ａの操作に基づく速度指令が速度指令変換部３１から入力されたか否かに基づいて判定される。

旋回駆動制御装置４０は、旋回操作がないと判定した場合は、作業用の操作（ブーム４、アーム５、バケット６、又は下部走行体１のいずれかの操作）があったか否かを判定する（ステップＳ２）。

旋回駆動制御装置４０は、作業用の操作があったと判定した場合は、リレー２１Ａ及び２１Ｂを閉成するとともに、メカニカルブレーキ２３を解除する（ステップＳ３）。これにより、旋回用電動発電機２１の回転軸２１ａに制動トルクが生じる。

次いで、旋回駆動制御装置４０は、回転軸２１ａの回転速度の絶対値が所定値以上であるか否かを判定する（ステップＳ４）。これは、反力により、上部旋回体３が左方向又は右方向に所定値以上の回転速度で旋回しているか否かを判定するための処理である。

旋回駆動制御装置４０は、回転軸２１ａの回転速度の絶対値が所定値以上であると判定した場合は、速度指令変換部３１に零速度指令を出力させ、この零速度指令で旋回用電動発電機２１の回転軸２１ａの回転速度を零に制御する（ステップＳ５）。

ここで、零速度指令とは、上部旋回体３の旋回速度を零にするために、旋回用電動発電機２１の回転軸２１ａの回転速度を零にするための速度指令であり、後述するＰＩ制御では、回転軸２１ａの回転速度を零に近づけるための目標値として用いられる。

このステップＳ５の処理は、上部旋回体３に掛かる反力が比較的大きく、制動トルクでは回転軸２１ａを停止状態に保持できない場合に、零速度指令を用いて回転軸２１ａを停止状態に保持させるための処理である。

旋回駆動制御装置４０は、ステップＳ５の処理が終了すると、処理手順をステップＳ１にリターンする。これにより、以上の処理が繰り返し実行される。

なお、旋回駆動制御装置４０は、ステップＳ４において、回転軸の回転速度の絶対値が所定値未満であると判定した場合は、手順をステップＳ１にリターンする。これは、上部旋回体３に掛かる反力が比較的小さい場合に、制動トルクで回転軸２１ａを停止状態に保持する場合である。ステップＳ１にリターンすると、旋回駆動制御装置４０は、再び旋回操作の有無を監視し、図５に示す手順を繰り返し実行する。

また、ステップＳ１において、旋回操作があったと判定した場合は、旋回駆動制御装置４０は、ステップＳ６において旋回駆動制御を行う（ステップＳ６）。この旋回駆動制御は、レバー２６Ａに入力される旋回操作の方向と操作量に応じて旋回用電動発電機２１を駆動する制御である。この制御には、例えば、速度指令を用いることができる。この旋回駆動制御が終わると、旋回駆動制御装置４０は、処理手順をステップＳ１にリターンし、再び旋回操作の有無を監視し、図５に示す手順を繰り返し実行する。

以上のように、旋回駆動制御装置４０により、旋回用電動発電機２１の駆動制御が実行される。図５に示す処理は、本実施の形態の建設機械の運転中に繰り返し実行される。

「旋回停止中の作業時における動作」
以上より、実施の形態１の旋回駆動制御装置を用いた建設機械によれば、上部旋回体３の旋回操作が行われていない状態（旋回停止時）で、下部走行体１、ブーム４、アーム５、又はバケット６の少なくともいずれか一つが操作されてメカニカルブレーキ２３が解除された状態において、上部旋回体３に反力が掛かって旋回用電動発電機２１の回転軸２１ａに回転トルクが生じても、回転トルクが比較的小さい間は旋回用電動発電機２１を第２回生運転（短絡状態）に保持する。これにより、回転軸２１ａは停止状態に保持される。

また、回転軸２１ａの回転速度が所定値以上になった場合は、零速度指令に切り替えることにより、上部旋回体３への反力によって生じる回転トルクに抗して、回転軸２１ａを停止状態に保持することができる。

以上のように、実施の形態１の旋回駆動制御装置を用いた建設機械によれば、上部旋回体３の旋回操作が行われていない状態（旋回停止時）で、下部走行体１、ブーム４、アーム５、又はバケット６の少なくともいずれか一つが操作されてメカニカルブレーキ２３が解除された状態において、上部旋回体３に反力が掛かって旋回用電動発電機２１の回転軸２１ａに回転トルクが生じても、回転トルクが比較的小さい間は旋回用電動発電機２１を第２回生運転（短絡状態）に保持する。これにより、回転軸２１ａは停止状態に保持される。

零速度指令による旋回用電動発電機２１の駆動制御を行う場合には、インバータ２０を介して電力供給を行う必要があるが、旋回用電動発電機２１を短絡状態にする場合は、旋回用電動発電機２１に電力供給を行う必要がない。

このため、従来の建設機械のように、反力の度合いによらず、一律に零速度指令による駆動制御によって上部旋回体３を停止状態に保持する場合に比べて、短絡状態における第２回生運転を行う分だけ消費電力を低減することができる。

以上では、主制御部６０が旋回駆動制御装置４０に含まれる形態について説明したが、主制御部６０は、旋回駆動制御装置４０の外部に設けられていてもよい。

また、以上では、ブーム４、アーム５、バケット６、及び下部走行体１の各々の操作が圧力センサ２９で検出される形態について説明したが、ブーム４、アーム５、バケット６、及び下部走行体１の各々の操作は、コントロールバルブ１７又は油圧ライン２７に設けられた圧力センサによって検出され、操作量に応じた電気信号が主制御部６０に送られるように構成してもよい。

また、以上では、旋回用電動発電機２１がインバータ２０によってＰＷＭ駆動される交流モータであり、その回転速度を検出するために、レゾルバ２２及び旋回動作検出部５７を用いる形態について説明したが、旋回用電動発電機２１は直流モータであってもよい。このように旋回用電動発電機２１として直流モータを用いる場合は、直流モータに電力を供給する２本の電力供給線を短絡させるためのリレーを１つ設ければよい。このリレーを閉成すれば、直流モータの短絡制動によって回転軸に制動トルクが生じるため、交流モータの場合と同様に旋回停止状態を実現することができる。なお、旋回用電動発電機２１として直流モータを用いる場合は、インバータ２０、レゾルバ２２及び旋回動作検出部５７が不要となり、回転速度としては直流モータのタコジェネレータで検出される値を用いればよい。

また、以上では、トルク電流指令の演算にＰＩ制御を用いる形態について説明したが、これに代えて、ロバスト制御、適応制御、比例制御、積分制御等を用いてもよい。

「実施の形態２」
図６は、実施の形態２の建設機械の旋回駆動制御装置の構成を示す制御ブロック図である。実施の形態２の建設機械の旋回駆動制御装置は、実施の形態１の旋回停止時における作業時の零速度指令により旋回用電動発電機２１の回転軸２１ａを停止状態に制御する代わりに、基準位置に基づく位置指令を用いて旋回用電動発電機２１の回転軸２１ａを停止状態に保持するものである。

このような制御処理を実現するために、実施の形態２の旋回駆動制御装置４０は、位置保持部７０、減算器７１、ＰＩ制御部７２、及び切替スイッチ７３を含む点が実施の形態１の旋回駆動制御装置４０とは異なる。

位置保持部７０は、旋回停止時における作業時に旋回用電動発電機２１に第２回生運転を行わせているときに、旋回用電動発電機２１の回転軸２１ａの回転速度が所定値以上になると、そのときの回転軸２１ａの回転位置を記憶保持し、この回転位置を基準位置とする基準位置指令を出力する。なお、旋回用電動発電機２１の回転軸２１ａの回転速度が所定値以上になったことを表す指令は、主制御部６０から伝達され、位置保持部７０は、この指令を受けると、そのときの回転位置を基準位置として記憶保持する。

減算器７１は、基準位置指令によって表される回転位置(rad)からレゾルバ２２によって検出された回転位置(rad)を減算して位置偏差を出力する。

ＰＩ制御部７２は、減算器７１から入力される位置偏差に基づき、旋回用電動発電機２１の回転位置を位置保持部７０から出力される基準位置を表す値（目標値）に近づけるように（すなわち、この偏差を小さくするように）ＰＩ制御を行い、そのために必要な速度指令を演算する。生成された速度指令は、２つの入力端子を有する切替スイッチ７３の片方の入力端子に送られる。

切替スイッチ７３は、主制御部６０によって切り替えられる。２つの入力端子のうちの一方の入力端子は速度指令変換部３１に接続されており、他方の入力端子はＰＩ制御部７２に接続されている。

この切替スイッチ７３は、基準位置指令による旋回用電動発電機２１の駆動制御を行う間は、ＰＩ制御部７２と減算器５１を接続するように切り替えられ、旋回用電動発電機２１の運転状態が第２回生運転の場合と、左方向又は右方向の旋回駆動を行う場合は、速度指令変換部３１と減算器５１を接続するように切り替えられる。

実施の形態２の建設機械によれば、実施の形態１の建設機械が旋回停止時における作業時に零速度指令によって旋回用電動発電機２１を駆動する代わりに、基準位置指令によって旋回用電動発電機２１を駆動するので、上部旋回体３の旋回操作が行われていない状態（旋回停止時）で、下部走行体１、ブーム４、アーム５、又はバケット６の少なくともいずれか一つが操作されてメカニカルブレーキ２３が解除された状態において、上部旋回体３に反力が掛かって旋回用電動発電機２１の回転軸２１ａに回転トルクが生じても、回転トルクが比較的小さい間は旋回用電動発電機２１を第２回生運転（短絡状態）に保持する。

基準位置指令による旋回用電動発電機２１の駆動制御を行う場合には、インバータ２０を介して電力供給を行う必要があるが、旋回用電動発電機２１を短絡状態にする場合は、旋回用電動発電機２１に電力供給を行う必要がない。

このため、従来の建設機械のように、反力の度合いによらず、一律に零速度指令による駆動制御によって上部旋回体３を停止状態に保持する場合に比べて、短絡状態における第２回生運転を行う分だけ消費電力を低減することができる。

「実施の形態３」
図７は、実施の形態３の建設機械の旋回用電動発電機２１を駆動制御するためのインバータ２０の構成を示す図である。インバータ２０は、旋回用電動発電機２１を三相駆動するために６つのトランジスタＴ１〜Ｔ６を含むブリッジ回路を有する。

この実施の形態３の建設機械は、実施の形態１で説明したリレー２１Ａ及び２１Ｂを備える代わりに、インバータ２０内のトランジスタの駆動状態によって旋回用電動発電機２１を短絡状態にする点が実施の形態１の建設機械と異なる。その他の構成や旋回用電動発電機２１の駆動制御方式は、実施の形態１の建設機械と同一であるため、その説明を省略する。

旋回駆動制御装置４０が旋回用電動発電機２１に力行運転又は第１回生運転（上部旋回体３を減速させる運転）を行わせる場合は、旋回駆動制御装置４０は、Ｔ１とＴ５の対、Ｔ２とＴ６の対、又は、Ｔ３とＴ４の対を順次オンにする動作を繰り返し行う。

また、旋回駆動制御装置４０は、旋回用電動発電機２１に第２回生運転を行わせる場合は、トランジスタＴ１、Ｔ２及びＴ３を同時にオンにすることによって旋回用電動発電機２１の三相配線を短絡させる。

このように、インバータ２０内のトランジスタによって旋回用電動発電機２１を短絡状態にすることによっても、実施の形態１の建設機械と同様に、上部旋回体３に反力が掛かって旋回用電動発電機２１の回転軸２１ａに回転トルクが生じても、回転トルクが比較的小さい間は旋回用電動発電機２１を第２回生運転（短絡状態）に保持するため、従来の建設機械のように、反力の度合いによらず、一律に零速度指令による駆動制御によって上部旋回体３を停止状態に保持する場合に比べて、第２回生運転（短絡状態）だけ消費電力を低減することができる。

以上、本発明の例示的な実施の形態の旋回駆動制御装置及びこれを用いた建設機械について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

実施の形態１の建設機械を示す側面図である。 実施の形態１の建設機械の構成を表すブロック図である。 実施の形態１の建設機械における旋回用電動発電機に取り付けられるリレーを示す図である。 実施の形態１の旋回駆動制御装置の構成を表す制御ブロック図である。 実施の形態１の建設機械の旋回駆動制御装置による旋回用電動発電機の駆動制御を実行するための処理手順を示す図である。 実施の形態２の建設機械の旋回駆動制御装置の構成を示す制御ブロック図である。 実施の形態３の建設機械の旋回用電動発電機を駆動制御するためのインバータ２０の構成を示す図である。

符号の説明

１ 下部走行体
１Ａ、１Ｂ 走行機構
２ 旋回機構
３ 上部旋回体
４ ブーム
５ アーム
６ バケット
７ ブームシリンダ
８ アームシリンダ
９ バケットシリンダ
１０ キャビン
１１ エンジン
１２ 電動発電機
１３ 減速機
１４ メインポンプ
１５ パイロットポンプ
１６ 高圧油圧ライン
１７ コントロールバルブ
１８ インバータ
１９ バッテリ
２０ インバータ
２１ 旋回用電動発電機
２３ メカニカルブレーキ
２４ 旋回減速機
２５ パイロットライン
２６ 操作装置
２６Ａ、２６Ｂ レバー
２６Ｃ ペダル
２７ 油圧ライン
２８ 油圧ライン
２９ 圧力センサ
３０ コントローラ
３１ 速度指令変換部
３２ 駆動制御装置
４０ 旋回駆動制御装置
５０ 駆動指令生成部
５１ 減算器
５２ ＰＩ制御部
５３ トルク制限部
５４ 減算器
５５ ＰＩ制御部
５６ 電流変換部
５７ 旋回動作検出部
６０ 主制御部
７０ 位置保持部
７１ 減算器
７２ ＰＩ制御部
７３ 切替スイッチ

Claims (9)

1. 下部走行体、前記下部走行体に旋回自在に搭載される上部旋回体、前記上部旋回体に取り付けられる作業要素、及び前記上部旋回体の旋回を機械的に停止させるメカニカルブレーキを含み、前記上部旋回体の駆動機構を電動発電機で駆動する建設機械において、前記旋回機構を駆動制御する旋回駆動制御装置であって、
   前記下部走行体、前記上部旋回体、又は前記作業要素の駆動操作を検出する駆動操作検出手段と、
   前記メカニカルブレーキの制動／解除を制御するブレーキ制御手段と、
   前記駆動操作検出手段によって前記作業要素又は前記下部走行体の駆動操作が検出され、かつ、前記ブレーキ制御手段によって前記メカニカルブレーキが解除されると、前記電動発電機を短絡状態に切り替える運転制御手段と
   を備える旋回駆動制御装置。
2. 前記上部旋回体の旋回動作を検出する旋回動作検出手段をさらに備え、
   前記運転制御手段は、前記電動発電機が短絡状態であるときに、前記旋回動作検出手段によって前記旋回機構の旋回動作が検出されると、前記電動発電機を駆動状態に切り替え、前記電動発電機の回転速度を零にするための零速度指令で駆動制御する、請求項１に記載の旋回駆動制御装置。
3. 前記旋回動作検出手段は、前記電動発電機の回転速度を検出するように構成されており、
   前記運転制御手段は、前記旋回動作検出手段によって検出される回転速度が所定値以上になると、前記電動発電機の回転速度を零にするための零速度指令で前記電動発電機を駆動制御する、請求項２に記載の旋回駆動制御装置。
4. 前記電動発電機の回転位置を検出する回転位置検出手段をさらに備え、
   前記運転制御手段は、前記電動発電機が短絡状態であるときに、前記位置検出手段によって検出される回転位置の変化を検出すると、前記電動発電機を駆動状態に切り替え、前記電動発電機の回転位置を回転位置の変化の検出時の位置に復帰させるための位置指令で駆動制御する、請求項１に記載の旋回駆動制御装置。
5. 前記運転制御手段は、前記回転位置検出手段によって検出される回転位置の変化量が所定値以上になると、前記電動発電機の回転位置の変化の検出時の位置に復帰させるための位置指令で前記電動発電機を駆動制御する、請求項４に記載の旋回駆動制御装置。
6. 前記運転制御手段は、前記駆動操作検出手段によって前記上部旋回体の旋回操作が検出されると、旋回速度を制御するための速度指令を用いて前記電動発電機を駆動制御する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の旋回駆動制御装置。
7. 前記電動発電機は三相駆動されるように構成されており、前記運転制御手段は、三相配線を短絡させることにより前記電動発電機を短絡状態に切り替える、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の旋回駆動制御装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の旋回駆動制御装置を含む建設機械。
9. 前記メカニカルブレーキは、油圧制御によって制動／解除の切り替えが行われる油圧式ブレーキ、又は、電磁スイッチによって制動／解除の切り替えが行われる電磁式機械ブレーキである、請求項８に記載の建設機械。

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